北京城區(qū)生活污泥津冀地區(qū)建材資源化利用可行性研究

崔超，熊建軍，劉培財(cái)，賈清棋，白家云，姚海，馬富亮

（1.北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100044；2.北京北排水環(huán)境發(fā)展有限公司，北京 100044）

城市污泥有效處置一直是社會(huì)關(guān)注的難點(diǎn)問題，污泥處置方式主要有填埋、焚燒、土地利用、建材利用等4種方式[1]，城鎮(zhèn)污泥資源化利用是當(dāng)前環(huán)境綜合防治要求下的主流發(fā)展方向。從城市污泥安全處置保障的角度，我國中部及南方城市大多采用土地利用、建材利用協(xié)同資源化發(fā)展方式[2-3]，而北方因地制宜的發(fā)展以土地利用為主的資源化方式[4]。北京作為典型北方特大城市，2019年污泥產(chǎn)量（以80%含水率計(jì)）約6588～7684 t/d，中心城區(qū)污泥產(chǎn)量約占73%，處置方式以土地利用為主。但鑒于北京高標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境保障要求及政策的不確定性，污泥土地利用仍有較大壓力[4]。因此，探討土地利用以外的其它輔助資源化路線是保障首都污泥安全處置的必要舉措。

城市污泥制燒結(jié)磚是建材資源化利用的有效方式之一，其既可以利用污泥熱值替代部分內(nèi)燃劑、制磚主料，減少土壤資源的過度開采，同時(shí)通過高溫焙燒能固化重金屬、分解有機(jī)污染物，減少環(huán)境污染隱患，該方式可實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益的多贏[5-7]。GB/T 25031—2010《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 制磚用泥質(zhì)》及《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南》（試行）等也支持和鼓勵(lì)污泥建材資源化[5-6，8]。從研究文獻(xiàn)[9-18]來看，不同學(xué)者對污泥制磚影響因素、政策、污泥種類、摻配材料、摻配比例、工藝可行性等也有一定研究，但鑒于不同城市的地域分布特點(diǎn)，污泥組分及制磚主料的塑性存在顯著差異，北方缺少污泥制磚的研究案例。

因此，基于北京污泥建材資源化輔助技術(shù)路線的城市保障需求，本研究重點(diǎn)從北京中心城區(qū)污泥與津冀制磚主料特性、摻配比例、變化規(guī)律等方面開展試驗(yàn)，探究津冀地區(qū)建材資源化利用的技術(shù)可行性，以期為北京城區(qū)污泥多元化資源利用方向選擇提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

污泥：北京中心城區(qū)生活污泥經(jīng)高級厭氧消化工藝處理后得到，密度0.74 g/cm3、自然含水率26.44%；黏土：河北唐山豐潤磚廠，密度1.01 g/cm3，自然含水率8.73%；頁巖1：河北張家口下花園磚廠，密度1.16 g/cm3，自然含水率4.09%；頁巖2：天津國環(huán)，密度1.30 g/cm3，自然含水率1.23%。

所有原料經(jīng)風(fēng)干、碾碎，過1.0 mm篩。

1.2 原料物理化學(xué)性能測試方法

利用處理后的黏土和頁巖分別加水拌和均勻，陳化24 h后，采用液塑限聯(lián)合測定儀和普氏塑性儀進(jìn)行物理性能測試，判斷原料可塑性，分析干燥敏感性、臨界含水率、普氏含水率、干燥收縮率；采用熔融滴定法進(jìn)行化學(xué)性能測試，包括主要礦物組成和燒失量。

1.3 污泥制磚用泥質(zhì)對標(biāo)分析

污泥的污染物濃度和物理化學(xué)及衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 污泥的污染物濃度和物理化學(xué)及衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)

由表1可見，污泥的污染物濃度、物理化學(xué)及衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)均符合GB/T 25031—2010要求。按GB/T 25031—2010的推薦用量，污泥（以干基計(jì)）與制磚總原料的質(zhì)量比應(yīng)≤10%，在工藝條件允許或產(chǎn)品需要的情況下，混合比例可適當(dāng)提高。基于此，本研究在試驗(yàn)梯度設(shè)置上以最大化資源化利用污泥為目標(biāo)，根據(jù)主料塑性設(shè)置5%～40%摻配比例不等的處理組合，用以研究北京中心城區(qū)高級厭氧消化污泥在環(huán)京地區(qū)制磚的最大適宜摻配比例，以指導(dǎo)北京城區(qū)污泥建材資源化輔助路線的處置規(guī)劃。

1.4 污泥及制磚主料物理化學(xué)性能分析

原料中城區(qū)污泥無塑性，其余材料的物理性能如表2所示。各原料的主要化學(xué)成分如表3所示。

表2 制磚原料的物理性能

表3 原料的主要化學(xué)成分 %

原料塑性的高低可反映污泥摻燒后成型性能的好壞，塑性指數(shù)通常分三級，高塑性指數(shù)通常＞15，中等為7～15，低等為＜7。由表2可知，黏土的塑性指數(shù)為12.1，為中等塑性原料。頁巖1和頁巖2的塑性指數(shù)接近7，為中低塑性原料。總體看，均可作為制磚原料。

在干燥性能方面，用干燥敏感性系數(shù)表示其干燥過程中產(chǎn)生裂紋的傾向性。通常也分三級，高敏感性通常＞2，中等為1～2，低等為＜1，中、高等敏感性原料干燥時(shí)較易出現(xiàn)裂紋，干燥時(shí)要放慢進(jìn)車速度，并保持較高的環(huán)境濕度。黏土的干燥敏感性系數(shù)為1.06，接近低等敏感性原料。頁巖1和頁巖2為低敏感性原料，干燥時(shí)不易出現(xiàn)裂紋，可適當(dāng)采取快速干燥的方式?？傮w來看，3種原料在坯體干燥環(huán)節(jié)均可采用快速干燥。

從表3可見，黏土、頁巖1、頁巖2巖均符合生產(chǎn)普通燒結(jié)磚的基本要求，污泥的化學(xué)組成與制磚主料含量相近，其中Fe2O3、Al2O3、MgO含量與制磚主料相當(dāng)，SiO2為18.68%，較主料略低，但符合允許限值；CaO含量為7.72%，屬于高水平值，一般混合后制磚物料氧化鈣的含量最好不超過5%，否則會(huì)引起石灰爆裂現(xiàn)象，影響成品的外觀質(zhì)量及強(qiáng)度，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品粉碎；燒失量為43.78%，表明污泥中有機(jī)質(zhì)含量高，過量摻配易導(dǎo)致磚燒制過程中磚體收縮，抗壓性能降低。

1.5 試驗(yàn)摻配比例

根據(jù)原料的物理化學(xué)性能分別在黏土、頁巖1、頁巖2中摻配污泥，摻配比如表4所示。

表4 污泥燒結(jié)磚的摻配比 %

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥燒結(jié)磚的制備

2.1.1 磚樣擠壓成型

采用德國進(jìn)口的小型真空擠磚機(jī)擠壓成型，模擬成型試驗(yàn)。加壓機(jī)由上級喂料系統(tǒng)和下級擠出系統(tǒng)組成，擠出三孔非承重空心磚試樣，孔形為矩形，機(jī)口截面為50 mm×20 mm，孔洞率約為36%。將擠出的泥條人工切成60 mm長的小試樣，真空度為-0.06 MPa，具體參數(shù)見表5。

表5 磚樣擠壓成型參數(shù)

2.1.2 坯體干燥

將成型好的磚樣自然干燥24 h后，以30℃/h的加溫速度升溫至（105±5）℃的環(huán)境中烘干至恒重。

2.1.3 坯體焙燒

以小試樣在梯度爐內(nèi)焙燒，確定混合料的燒成溫度及燒成溫度范圍，焙燒條件如下：室溫～400℃：升溫速度為150℃/h，400℃保溫20 min；400～800℃：升溫速度為150℃/h，800℃保溫20 min，800～1100℃：升溫速度為150℃/h，1100℃保溫30 min，燒成后的降溫過程為自然降溫。

2.2 北京城市污泥制磚性能及影響關(guān)系分析

2.2.1 污泥摻配對坯體干燥收縮率的影響

坯體在干燥過程中，由于機(jī)械結(jié)合水的蒸發(fā)，使物料粒子互相靠攏，坯體的體積有收縮的現(xiàn)象。通常以其收縮的長度對坯體原長度的百分比為表示。本試驗(yàn)3種原料摻配處理均采用快速干燥。烘干后磚樣無干燥裂紋產(chǎn)生，效果良好。測得1#～9#試樣的干燥收縮率分別為4.36%、4.54%、4.09%、4.20%、3.82%、3.13%、3.28%、4.06%、3.22%，由于污泥無塑性，其收縮變化量較小。因此污泥摻配越多，混合料的干燥線收縮率越小。但8#試樣（天津國環(huán)頁巖摻配污泥）數(shù)值異常，分析原因?yàn)樵囼?yàn)過程中人為因素造成磚樣成型水分較大，從而導(dǎo)致其干燥線收縮率偏大。

2.2.2 污泥摻配對污泥燒結(jié)磚吸水率、收縮率與溫度的影響關(guān)系（見圖1）

由圖1可知：

圖1 不同摻配比例制磚過程中溫度與收縮率、吸水率的關(guān)系曲線

（1）1#試樣在950～1040℃的焙燒過程中，收縮率曲線和吸水率曲線變化都比較平緩，吸水率略高。1040℃以后，2條曲線急劇變化，吸水率符合GB/T 5101—2017《燒結(jié)普通磚》要求。2#、3#試樣在950～1040℃的焙燒過程中收縮率曲線和吸水率曲線變化都比較平緩，吸水率很高。1040℃以后，2條曲線急劇變化，但吸水率仍不符合GB/T 5101—2017要求。

通過焙燒曲線及燒成小樣的焙燒情況，確定1#試樣的焙燒溫度在1040～1100℃，2#、3#試樣的焙燒溫度在1100℃以上。由于焙燒實(shí)驗(yàn)設(shè)備上限溫度為1100℃，而試樣因?yàn)樘砑游勰嗌吡吮簾铚囟龋虼?，鑒于設(shè)備的局限性，本研究無法給出試樣成品明確的焙燒合適溫度，本試驗(yàn)中2#、3#試樣的焙燒溫度范圍僅供參考。

總體來看，豐潤黏土摻配試樣中污泥占比超過20%時(shí)，制磚成型效果一般，濕坯泥條易折斷，燒成試樣制品吸水率在24%以上，不符合GB/T 5101—2017規(guī)定的吸水率要求，且強(qiáng)度一般。

（2）4#～6#試樣的焙燒溫度分別在950～1040℃、980～1040℃、1040～1100℃。在頁巖1中摻配污泥的3組試樣，在950～1100℃的整個(gè)焙燒過程中，收縮率曲線和吸水率曲線變化均較快，但吸水率符合GB/T 5101—2017的要求。污泥摻配率控制在15%以下，成型效果較好，燒成后制品的吸水率在16%以下，符合GB/T 5101—2017規(guī)定的吸水率要求，強(qiáng)度較高。

（3）7#～9#試樣的焙燒溫度分別在950～1010℃、980～1040℃、1010～1070℃。在頁巖2中摻配污泥的3組試樣，在950～1100℃的整個(gè)焙燒過程中，試樣收縮率曲線和吸水率曲線變化均較快，但吸水率符合GB/T 5101—2017要求。污泥摻配比例控制在20%以內(nèi)，成型效果較好，燒成后制品吸水率在16%以下，符合GB/T 5101—2017規(guī)定的吸水率要求，強(qiáng)度較高。

2.3 北京城區(qū)污泥制磚成品試樣分析

2.3.1 高溫爐試樣成品焙燒分析

焙燒條件同上，試樣在高溫爐內(nèi)的焙燒溫度和燒成收縮情況見表6。

表6 不同原料摻配比燒結(jié)磚的焙燒溫度和燒成收縮率

在黏土中摻配污泥的成品試樣呈暗紅色，未產(chǎn)生裂紋變形。通過敲擊，試樣聲音暗啞，不清脆，判斷試樣強(qiáng)度一般。在頁巖1和頁巖2中摻配污泥的試樣呈紅色，未產(chǎn)生裂紋變形，敲擊聲音清脆，判斷強(qiáng)度較好。不同摻配比例試樣的燒成線收縮率變化較大，由于污泥的燒失量較大，摻配比例越大，混合料試樣的燒成線收縮率越大。因此，污泥摻配量高用于燒結(jié)磚實(shí)際生產(chǎn)過程中，機(jī)口設(shè)計(jì)要合理收放尺寸，且在窯爐生產(chǎn)時(shí)應(yīng)控制好溫度的平衡和穩(wěn)定，以保證制磚質(zhì)量。

2.3.2 試樣成品尺寸分析

各試樣干坯和成品尺寸如表7所示，成品試樣見圖2。

圖2 不同原料及配比燒結(jié)磚成品

表7 不同原料摻配比燒結(jié)磚的尺寸

從表7可見，外觀尺寸主要體現(xiàn)長度的變化，寬度、高度變化影響相對較小，不同摻配比例的成品燒結(jié)磚試樣尺寸均表現(xiàn)出，隨著污泥摻配比越大，成品尺寸的長度收縮程度越大。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為保障成品燒結(jié)磚的質(zhì)量，污泥的摻配比例應(yīng)控制在合理范圍。

3 結(jié)論

（1）北京中心城區(qū)高級厭氧消化生活污泥符合GB/T 25031—2010規(guī)定的污染物濃度、物理化學(xué)及衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)要求，在工藝條件允許或產(chǎn)品需要的情況下，標(biāo)準(zhǔn)允許在10%推薦比例（以干基計(jì)）下可適當(dāng)提高摻配比例。

（2）津冀地區(qū)制磚主料與污泥摻配，污泥摻配比例越大，試樣燒結(jié)溫度越高，則吸水率越大，強(qiáng)度降低，試樣燒成線收縮率變化增大，成品試樣長度影響最顯著。污泥制燒結(jié)磚摻配比例隨著主料塑性指數(shù)增大可適當(dāng)提高，建議其做輔料時(shí)，制磚主料塑性指數(shù)宜大于10。實(shí)際生產(chǎn)過程應(yīng)調(diào)配適宜比例，控制溫度平衡、穩(wěn)定，以保證成品燒結(jié)磚質(zhì)量。

（3）北京中心城區(qū)高級厭氧消化生活污泥具備在環(huán)京地區(qū)進(jìn)行燒結(jié)磚建材資源化利用的可行性，可作為輔助處置路線。根據(jù)污泥特性、環(huán)京地區(qū)制磚主料塑性以及GB/T 5101—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求，建議最大摻配比例不超過20%（以干基計(jì)）。